JP6041728B2 - Method for producing thin film cubic zirconia sheet for solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用の薄膜立方晶系ジルコニアシート、特に、緻密で寸法精度に優れたシート厚さが50μm以上160μm以下で、平面面積が50cm2以上の立方晶系ジルコニアシートの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thin film cubic zirconia sheet for a solid oxide fuel cell, particularly a dense and excellent dimensional accuracy sheet thickness of 50 μm to 160 μm and a planar area of 50 cm 2 or more. It is related with the manufacturing method.
従来、固体酸化物形燃料電池(以下、SOFCとも称することがある)の固体電解質として、酸素イオン導電体であるイットリアなどで安定化されたジルコニアが広く使用されている。特に、電解質支持型セルでは電解質自体でセルを保持する強度が必要なため、強度特性にすぐれた正方晶系ジルコニアシートが固体電解質膜として好ましい。しかし、正方晶系ジルコニアは酸素イオン伝導率が立方晶系ジルコニアに比べて低いため、セル発電性能が劣る傾向にある。一方、立方晶系ジルコニアは強度特性が正方晶系ジルコニアに劣るため、電解質支持型セルでは立方晶系ジルコニアシートを厚くすることによってセル強度の保持が図られている。しかしながら、電解質が厚くなると電解質での抵抗が大きくなりセル発電性能が低下する問題がある。 Conventionally, zirconia stabilized with yttria, which is an oxygen ion conductor, has been widely used as a solid electrolyte of a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC). In particular, since the electrolyte-supporting cell needs strength to hold the cell by the electrolyte itself, a tetragonal zirconia sheet having excellent strength characteristics is preferable as the solid electrolyte membrane. However, since tetragonal zirconia has lower oxygen ion conductivity than cubic zirconia, cell power generation performance tends to be inferior. On the other hand, since cubic zirconia has inferior strength characteristics to tetragonal zirconia, the cell strength is maintained by increasing the thickness of the cubic zirconia sheet in the electrolyte-supported cell. However, when the electrolyte is thick, there is a problem that the resistance in the electrolyte increases and the cell power generation performance decreases.
近年、SOFCシステムが汎用化されるためにさらなるコストパーフォーマンスの向上が必要であり、高い発電性能を有する電解質支持型セルを製造するために、立方晶系ジルコニアシートの薄膜化、特に、ハンドリング強度に優れた厚さが50μm以上160μm以下の立方晶系ジルコニアシートが求められている。 In recent years, cost performance needs to be further improved in order to make SOFC systems versatile, and in order to manufacture electrolyte-supported cells with high power generation performance, the use of cubic zirconia sheets has become thinner, especially handling strength. Therefore, a cubic zirconia sheet having an excellent thickness of 50 μm or more and 160 μm or less is required.
しかしながら、立方晶系ジルコニアシートの高強度化については、シート中の残留ポアを低減して緻密化し電解質シートの機械的強度を高めるスカンジア安定化ジルコニアシートの製造方法(特許文献1)などの検討がなされているが、立方晶系ジルコニアシートで厚さが200μm以下の薄膜化についての検討はほとんどなされていない。 However, with regard to increasing the strength of the cubic zirconia sheet, there is a study of a method for producing a scandia-stabilized zirconia sheet (Patent Document 1) that reduces the residual pores in the sheet and densifies it to increase the mechanical strength of the electrolyte sheet. However, there has been almost no study on thinning a cubic zirconia sheet with a thickness of 200 μm or less.
一般的に、立方晶系ジルコニアシートの曲げ強度は、JIS規格(JIS R1601)に準拠して測定するとシートの厚さに係りなくほとんど0.3〜0.4GPaの範囲の値になるが、そのときのシートが破壊した時の最大荷重値はシートの厚さによって大きく異なり、シートの厚さの2乗に反比例することになる。従って、厚さが50μm以上160μm以下の薄膜立方晶系ジルコニアシートでは、シートに少しの外力がかかっただけで簡単に割れや欠けが生じやすくなるのでハンドリング性に大きな問題があった。 Generally, the bending strength of a cubic zirconia sheet is almost 0.3 to 0.4 GPa regardless of the thickness of the sheet when measured according to JIS standard (JIS R1601). The maximum load value when the sheet breaks greatly depends on the thickness of the sheet, and is inversely proportional to the square of the thickness of the sheet. Therefore, in the thin film cubic zirconia sheet having a thickness of 50 μm or more and 160 μm or less, there is a big problem in handling property because it is easy to be easily cracked or chipped even if a slight external force is applied to the sheet.
特に、シート面積が50cm2以上の大きな薄膜立方晶系ジルコニアシートを製造するときには焼成直後シートに割れや欠けが顕著に認められ、シート製造歩留りが低下する問題があった。さらに、薄膜シートの平面方向の寸法精度の低下の問題、具体的にはX方向とY方向の寸法の差が大きくなる傾向にあることが判明した。 In particular, when a large thin-film cubic zirconia sheet having a sheet area of 50 cm 2 or more is produced, there is a problem that cracks and chips are noticeable in the sheet immediately after firing, and the sheet production yield is lowered. Further, it has been found that there is a problem that the dimensional accuracy in the planar direction of the thin film sheet is lowered, specifically, the difference between the dimensions in the X direction and the Y direction tends to increase.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、緻密(相対密度が99%以上)で厚さが50μm以上160μm以下の薄膜立方晶系ジルコニアシート製造歩留りの低下を抑制でき、高い寸法精度を有するSOFC用の薄膜立方晶系ジルコニアシートの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to suppress a decrease in production yield of a thin film cubic zirconia sheet having a high density (relative density of 99% or more) and a thickness of 50 μm to 160 μm, and high dimensional accuracy. An object of the present invention is to provide a method for producing a thin film cubic zirconia sheet for SOFC.
本発明者は、薄膜立方晶系ジルコニアシートの製造方法について、原料として用いる粉末やスラリーの物性と、得られるシート割れや欠け発生率との関係についてさらに研究を進めた。その結果、グリーンシート中の粉体充填率を高め、焼成収縮率を小さくする観点から、原料の立方晶系安定化ジルコニア粉末の比表面積と、該粉末中の粗大粒子の割合とをさらに少なくすることによって、ハンドリング強度に優れた薄膜立方晶系ジルコニアシートの製造歩留りの低下を抑制できることを見出して本発明を完成した。 The present inventor further researched the relationship between the physical properties of powders and slurries used as raw materials and the resulting sheet cracking and chipping occurrence rate for the method for producing a thin film cubic zirconia sheet. As a result, the specific surface area of the raw material cubic stabilized zirconia powder and the proportion of coarse particles in the powder are further reduced from the viewpoint of increasing the powder filling rate in the green sheet and reducing the firing shrinkage rate. As a result, it was found that the production yield of the thin film cubic zirconia sheet excellent in handling strength could be suppressed, and the present invention was completed.
上記課題を解決することができた本発明の厚さが50μm以上160μm以下の固体酸化物形燃料電池用の薄膜立方晶系ジルコニアシートの製造方法は、立方晶系安定化ジルコニア粉末、溶媒およびバインダーを含むスラリー原料を混合してスラリーを調製する工程;得られたスラリーを用いてテープキャスティング法により連続的に高分子フィルム上に、テープ状に塗工し、乾燥してグリーンテープとする工程;得られたグリーンテープを所定形状に打ち抜き・切断してグリーンシートとする工程得られたグリーンシートを焼成する工程;を含み、前記ジルコニア粉末のBET比表面積が3m2/g以上10m2/g以下であり、且つ前記ジルコニア粉末の90体積%径(D90)が0.25μm以上0.8μm以下であり、50体積%径(D50)と90体積%径との比(D90/D50)が1を超え2以下、90体積%径(D90)と100体積%径(D100)との比(D100/D90)が1を超え4以下である粉末を用いることを特徴とする。 A method for producing a thin film cubic zirconia sheet for a solid oxide fuel cell having a thickness of 50 μm or more and 160 μm or less according to the present invention, which has been able to solve the above problems, comprises cubic stabilized zirconia powder, solvent and binder A step of preparing a slurry by mixing slurry raw materials containing a slurry; a step of continuously coating a polymer film on a polymer film by a tape casting method using the obtained slurry and drying to obtain a green tape; A step of punching and cutting the obtained green tape into a predetermined shape to obtain a green sheet; a step of firing the obtained green sheet; and a BET specific surface area of the zirconia powder of 3 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less , and the and the 90% by volume diameter of the zirconia powder (D 90) is at 0.25μm or 0.8μm or less, 50% by volume (D 50) and the ratio of 90 volume% diameter (D 90 / D 50) is 2 or less than 1, the ratio of 90 volume% diameter (D 90) and 100 volume% diameter (D 100) (D 100 / D 90 ) is characterized by using a powder having a value of more than 1 and 4 or less.
原料粉末として、上記立方晶系安定化ジルコニア粉末を用いることにより、粉末の比表面積が小さいこと、および粉末中の粗大粒子(約1.0μm以上の粒子)の含有量が非常に少なく且つ平均粒子径が小さくて粒度分布がシャープであることからグリーンテープ成形に必要なバインダー量が低減できグリーンテープ中の粉体充填率が高められる。その結果、グリーンシートの焼成収縮率が低減されるので、焼成中のシートに外力や応力が負荷されることが少なくなり、焼成直後の薄膜の立方晶系ジルコニアシートに割れや欠けの発生が低減されて、高い歩留まりを維持することができる。 By using the cubic stabilized zirconia powder as a raw material powder, the specific surface area of the powder is small, and the content of coarse particles (particles of about 1.0 μm or more) in the powder is very small and the average particle Since the diameter is small and the particle size distribution is sharp, the amount of binder necessary for forming the green tape can be reduced, and the powder filling rate in the green tape can be increased. As a result, the firing shrinkage rate of the green sheet is reduced, so that external force and stress are less likely to be applied to the sheet being fired, and the generation of cracks and chips in the thin-film cubic zirconia sheet immediately after firing is reduced. As a result, a high yield can be maintained.
さらには、グリーンシート焼成時のX方向とY方向の寸法収縮が安定して、X方向とY方向での寸法に差が非常に小さくなって、高い寸法精度を有する薄膜電解質シートが得られるようになった。 Furthermore, the dimensional shrinkage in the X direction and the Y direction when the green sheet is fired is stabilized, and the difference between the dimensions in the X direction and the Y direction becomes very small, so that a thin film electrolyte sheet having high dimensional accuracy can be obtained. Became.
また、前記立方晶系安定化ジルコニア粉末として、嵩密度が1.05g/cm3以上1.3g/cm3以下である粉末を使用することも好ましい態様である。この場合、使用するバインダー量がさらに低減され、より高い寸法精度を有する薄膜電解質シートが得られる。 Moreover, it is also a preferable aspect to use a powder having a bulk density of 1.05 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less as the cubic stabilized zirconia powder. In this case, the amount of binder to be used is further reduced, and a thin film electrolyte sheet having higher dimensional accuracy can be obtained.
さらに、前記スラリー原料として、立方晶系安定化ジルコニア粉末を含有する回収グリーン体を使用することも好ましい態様である。この場合、前記回収グリーン体の使用量は、該回収グリーン体に含まれる立方晶系安定化ジルコニア粉末の質量に換算し、前記スラリー中に含まれる全立方晶系安定化ジルコニア粉末の質量中5質量%以上50質量部%以下とすることが好ましい。 Furthermore, it is also a preferred embodiment that a recovered green body containing cubic stabilized zirconia powder is used as the slurry raw material. In this case, the amount of the recovered green body used is converted to the mass of the cubic stabilized zirconia powder contained in the recovered green body, and 5% of the total cubic stabilized zirconia powder contained in the slurry. It is preferable to set it as the mass% or more and 50 mass parts or less.
また、前記スラリーの固形分濃度を70〜90質量%の範囲にすることによって、容易にグリーンテープ中の粉体充填率を高めることができ、より高い歩留まりを維持することができる。 Moreover, by making the solid content concentration of the slurry in the range of 70 to 90% by mass, it is possible to easily increase the powder filling rate in the green tape and maintain a higher yield.
本発明によれば、シート製造歩留りの低下を抑制でき、高い寸法精度を有するSOFC用の薄膜立方晶系ジルコニアシートが得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a thin film cubic zirconia sheet for SOFC that can suppress a decrease in sheet manufacturing yield and has high dimensional accuracy.
本発明の固体酸化物形燃料電池用の薄膜スカンジアジルコニアシートの製造方法は、立方晶系安定化ジルコニア粉末、溶媒およびバインダーを含むスラリー原料を混合してスラリーを調製する工程;得られたスラリーを用いてテープキャスティング法により連続的に高分子フィルム上に、テープ状に塗工し、乾燥してグリーンテープとする工程;得られたグリーンテープを所定形状に打ち抜き・切断してグリーンシートとする工程:得られたグリーンシートを焼成する工程;を含む。以下、これらの各工程について詳細に説明する。 The method for producing a thin-film scandiazirconia sheet for a solid oxide fuel cell according to the present invention comprises a step of preparing a slurry by mixing a slurry raw material containing cubic stabilized zirconia powder, a solvent and a binder; Using a tape casting method to continuously apply a tape on a polymer film and drying it to make a green tape; punching and cutting the resulting green tape into a predetermined shape to make a green sheet : Firing the obtained green sheet. Hereinafter, each of these steps will be described in detail.
1.スラリーの調整
まず、スラリーを調整する工程について説明する。本工程では、立方晶系安定化ジルコニア粉末、溶媒、バインダー、必要に応じて可塑剤や分散剤等をボールミルやビーズミル等で混合してスラリーを調製する。
1. First, the process of adjusting the slurry will be described. In this step, cubic stabilized zirconia powder, a solvent, a binder, and, if necessary, a plasticizer and a dispersant are mixed by a ball mill or a bead mill to prepare a slurry.
前記立方晶系安定化ジルコニア粉末としては、BET比表面積が3m2/g以上10m2/g以下であり、且つ90体積%径(D90)が0.25μm以上0.8μm以下であり、50体積%径(D50)と90体積%径との比(D90/D50)が1を超え2以下、90体積%径(D90)と100体積%径(D100)との比(D100/D90)が1を超え4以下である粉末を用いる。 The cubic stabilized zirconia powder has a BET specific surface area of 3 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less, and a 90 volume% diameter (D 90 ) of 0.25 μm or more and 0.8 μm or less. The ratio between the volume% diameter (D 50 ) and the 90 volume% diameter (D 90 / D 50 ) is more than 1 and 2 or less, and the ratio between the 90 volume% diameter (D 90 ) and the 100 volume% diameter (D 100 ) ( A powder having D 100 / D 90 ) of more than 1 and 4 or less is used.
立方晶系安定化ジルコニア粉末とは、粉末X線回折法で求められた回折ピークの強度のうち、立方晶を主体とするジルコニア粉末である。具体的には、ジルコニア粉末におけるジルコニア結晶のX線回折パターンから各ピーク強度を求め、各強度値と下記式から立方晶比率(%)を求め、当該立方晶比率が80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい、95%以上がさらに好ましい。立方晶比率を80%以上に定めているのは、80%未満では得られるジルコニアシートの酸素イオン電導性と曲げ強度が損なわれる傾向にあるからである。 The cubic stabilized zirconia powder is a zirconia powder mainly composed of cubic crystals in the intensity of diffraction peaks obtained by a powder X-ray diffraction method. Specifically, each peak intensity is obtained from the X-ray diffraction pattern of the zirconia crystal in the zirconia powder, a cubic ratio (%) is obtained from each intensity value and the following formula, and the cubic ratio is 80% or more. Preferably, it is 90% or more, more preferably 95% or more. The reason why the cubic crystal ratio is set to 80% or more is that if it is less than 80%, the oxygen ion conductivity and bending strength of the obtained zirconia sheet tend to be impaired.
立方晶比率(%)=(100−単斜晶比率)*(c(400))÷(t(400)+t(004)+c(400))・・・・式1
単斜晶比率(%)=(m(111)+m(−111))÷(m(111)+m(−111)+tc(111))*100・・・・式2
(式中、c(400)は立方晶(400)面のピーク強度を示し、t(400)とt(004)は正方晶(400)面と(004)面のピーク強度を示し、m(111)とm(−111)は単斜晶(111)面と(−111)面のピーク強度を示し、tc(111)は重なった正方晶と立方晶との(111)面のピーク強度を示す。)
前記結晶構造を有する立方晶系安定化ジルコニア粉末は、安定化剤としてSc2O3、Y2O3、La2O3、CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Yb2O3等の希土類金属酸化物;MgO、CaO、SrO、BaO等のアルカリ土類金属酸化物が使用されるが、特に、スカンジウム、イットリウム、セリウム、イッテルビウムからなる群より選択される少なくとも1種の元素の酸化物を7〜15モル%含む安定化ジルコニアが好ましい。
Cubic crystal ratio (%) = (100−monoclinic crystal ratio) * (c (400)) ÷ (t (400) + t (004) + c (400)).
Monoclinic crystal ratio (%) = (m (111) + m (−111)) ÷ (m (111) + m (−111) + tc (111)) * 100
(Where c (400) indicates the peak intensity of the cubic (400) plane, t (400) and t (004) indicate the peak intensity of the tetragonal (400) plane and (004) plane, and m ( 111) and m (−111) indicate the peak intensities of the monoclinic (111) plane and the (−111) plane, and tc (111) indicates the peak intensity of the (111) plane of the superimposed tetragonal and cubic crystals. Show.)
The cubic stabilized zirconia powder having the crystal structure is Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 as a stabilizer. , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 and other rare earth metal oxides; MgO, CaO, SrO, BaO, etc. In particular, a stabilized zirconia containing 7 to 15 mol% of an oxide of at least one element selected from the group consisting of scandium, yttrium, cerium, and ytterbium is preferable.
これらの中でも、スカンジア安定化ジルコニア(以下、「ScSZ」と称することがある。)粉末の場合は、スカンジアの含有量は7〜12モル%、好ましくは8〜11モル%であり、スカンジアセリア安定化ジルコニア(以下、「ScCeSZ」と称することがある。)粉末の場合は、スカンジアとセリアの含有量はスカンジア7〜12モル%セリア0.5〜3モル%、好ましくはスカンジア8〜11モル%、セリア1〜2モル%である。 Among these, in the case of a scandia-stabilized zirconia (hereinafter sometimes referred to as “ScSZ”) powder, the content of scandia is 7 to 12 mol%, preferably 8 to 11 mol%. In the case of powdered zirconia (hereinafter sometimes referred to as “ScCeSZ”), the content of scandia and ceria is 7 to 12 mol% scandia 0.5 to 3 mol% ceria, preferably 8 to 11 mol% scandia. , Ceria 1-2 mol%.
また、イットリア安定化ジルコニア(以下、「YSZ」と称することがある。)粉末の場合は、イットリア含有量は7〜12モル%、好ましくは8〜10モル%であり、イッテルビア安定化ジルコニア(以下、「YbSZ」と称することがある。)粉末の場合は、イッテルビア含有量は8〜15モル%、好ましくは9〜12モル%である。なお、これら安定化剤と共に、Al2O3、Ga2O3、In2O3、TiO2、Bi2O3、In2O3等を0.03〜3モル%添加することも可能である。 In the case of yttria-stabilized zirconia (hereinafter sometimes referred to as “YSZ”) powder, the yttria content is 7 to 12 mol%, preferably 8 to 10 mol%. In the case of powder, the ytterbia content is 8 to 15 mol%, preferably 9 to 12 mol%. In addition, it is also possible to add 0.03 to 3 mol% of Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , TiO 2 , Bi 2 O 3 , In 2 O 3 and the like together with these stabilizers. is there.
前記立方晶系安定化ジルコニア粉末のBET比表面積は、3m2/g以上であり、好ましくは4m2/g以上であり、より好ましくは5m2/g以上が好ましい。また、10m2/g以下であり、好ましくは8m2/g以下であり、より好ましくは7m2/g以下が好ましい。BET比表面積が上記範囲内であれば、グリーンテープ成形のためのバインダー必要量が少なくなるので、グリーンシート中の粉体充填率が高められて得られる立方晶系ジルコニアシート中の残留ポアをより低減で、相対密度が99%以上の緻密なシートを得ることができる。 The cubic stabilized zirconia powder has a BET specific surface area of 3 m 2 / g or more, preferably 4 m 2 / g or more, more preferably 5 m 2 / g or more. Moreover, it is 10 m < 2 > / g or less, Preferably it is 8 m < 2 > / g or less, More preferably, it is 7 m < 2 > / g or less. If the BET specific surface area is in the above range, the necessary amount of binder for forming the green tape is reduced, so that the residual pores in the cubic zirconia sheet obtained by increasing the powder filling rate in the green sheet are further increased. By reducing the density, a dense sheet having a relative density of 99% or more can be obtained.
前記立方晶系ジルコニア粉末の90体積%径(D90)は、0.25μm以上、0.8μm以下である。D90が0.8μmを超えると、ジルコニア粉末の凝集体が大きくなって粉体充填率が低下するので、得られる薄膜ジルコニアシートの強度が低下する。一方、D90が0.25μm未満では、ジルコニア粉末中にナノサイズの微細粒子が多くなるため、バインダー量が逆に多く必要になり寸法精度が損なわれることになる。前記D90はより好ましくは0.26μm以上、さらに好ましくは0.27μm以上、特に好ましくは0.28μm以上であり、より好ましくは0.7μm以下、さらに好ましくは0.65μm以下、特に好ましくは0.6μm以下である。 The cubic volume zirconia powder has a 90 volume% diameter (D 90 ) of 0.25 μm or more and 0.8 μm or less. If D 90 of greater than 0.8 [mu] m, the aggregate of the zirconia powder is increased since the powder packing ratio is reduced, the strength of the resulting thin film zirconia sheet is lowered. If it is less than D 90 of 0.25 [mu] m, since the fine nano-sized particles is increased in the zirconia powder, so that the amount of the binder is impaired dimensional accuracy becomes more necessary for reverse. The D 90 is more preferably 0.26 μm or more, further preferably 0.27 μm or more, particularly preferably 0.28 μm or more, more preferably 0.7 μm or less, still more preferably 0.65 μm or less, particularly preferably 0. .6 μm or less.
また、前記立方晶系ジルコニア粉末の50体積%径と90体積%径との比(D90/D50)は、1を超え2以下である。前記比(D90/D50)が上記範囲内であれば、グリーンシート成形に必要なバインダー量をさらに低減でき、焼成収縮率が低下して、焼成後のジルコニアシートの割れや欠けが低減され歩留まりが向上する。前記比(D90/D50)は、より好ましくは1.05以上、さらに好ましくは1.1以上であり、より好ましくは1.9以下、さらに好ましくは1.8以下である。 Further, the ratio (D 90 / D 50 ) of 50 volume% diameter and 90 volume% diameter of the cubic zirconia powder is more than 1 and 2 or less. If the ratio (D 90 / D 50 ) is within the above range, the amount of binder required for green sheet molding can be further reduced, the firing shrinkage ratio is lowered, and cracking and chipping of the zirconia sheet after firing are reduced. Yield is improved. The ratio (D 90 / D 50 ) is more preferably 1.05 or more, further preferably 1.1 or more, more preferably 1.9 or less, and still more preferably 1.8 or less.
さらに、前記立方晶系ジルコニア粉末の90体積%径と100体積%径との比(D100/D90)は、1を超え4以下である。前記比(D100/D90)が上記範囲内であれば、極端に粗大な粒子の割合が少なくなって、グリーンシート中の粉体充填率をさらに高めることができるとともに、シート曲げ強度も強化される傾向となる。前記比(D100/D90)は、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上であり、より好ましくは3.5以下、さらに好ましくは3.0以下、特に好ましくは2.5以下である。 Furthermore, the ratio (D 100 / D 90 ) of 90 volume% diameter and 100 volume% diameter of the cubic zirconia powder is more than 1 and 4 or less. If the ratio (D 100 / D 90 ) is within the above range, the ratio of extremely coarse particles is reduced, and the powder filling rate in the green sheet can be further increased, and the sheet bending strength is also enhanced. Tend to be. The ratio (D 100 / D 90 ) is more preferably 1.2 or more, further preferably 1.5 or more, more preferably 3.5 or less, still more preferably 3.0 or less, and particularly preferably 2. 5 or less.
本発明において、50体積%径とは、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置(堀場製作所製、商品名「LA−920」)により測定し、各々粒子径が小さいほうから粒子体積を積算して全粒子体積に対して50体積%となる粒子径の値である。また、同様に90体積%径および100体積%径は、それぞれ粒子径が小さいほうから粒子体積を積算して全粒子体積に対して90体積%または100体積%となる粒子径の値である。 In the present invention, the 50 volume% diameter is measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus (trade name “LA-920”, manufactured by Horiba, Ltd.), and the particle volume is integrated from the smaller particle diameter. The particle diameter is 50% by volume with respect to the total particle volume. Similarly, the 90 volume% diameter and the 100 volume% diameter are values of the particle diameter that are 90 volume% or 100 volume% with respect to the total particle volume by integrating the particle volume from the smaller particle diameter.
なお、本発明で使用される立方晶系安定化ジルコニア粉末は、市販の立方晶系安定化ジルコニア粉末で該当するものはほとんど無いので、市販の立方晶系安定化ジルコニア粉末を1000〜1400℃で熱処理したものを粉砕する方法、市販のジルコニア粉末と前記安定化剤粉末を混合後、熱処理したものを粉砕する方法、立方晶系安定化ジルコニア粉末や前記混合粉末を成形後、仮焼もしくは焼結等によって熱処理して得た焼成体を粉砕して粉末化する方法などによって得ることができる。 In addition, since the cubic stabilized zirconia powder used in the present invention is hardly a commercially available cubic stabilized zirconia powder, the commercially available cubic stabilized zirconia powder is used at 1000 to 1400 ° C. A method of pulverizing the heat-treated product, a method of mixing a commercially available zirconia powder and the stabilizer powder, a method of pulverizing the heat-treated product, a cubic stabilized zirconia powder or the mixed powder, and then calcining or sintering It can obtain by the method etc. which grind | pulverize and grind | pulverize the baked body obtained by heat-processing by the above.
熱処理や、仮焼もしくは焼結によって立方晶系安定化ジルコニア粉末中の細孔容積や細孔径が減少するために比表面積が低下してテープ成形のためのバインダー量が低減される。なお、粉砕する工程で得られる粉末のD90等の粒度分布の再現性を高めるためには、立方晶系安定化ジルコニア粉末を用いることが好ましく、粉末の凝集や焼結を抑制して所望の粒度分布に簡便に粉砕できるように、この粉末をロータリーキルン等で流動させながら上記温度範囲で均一に熱処理することが好ましい。 Since the pore volume and pore diameter in the cubic stabilized zirconia powder are reduced by heat treatment, calcining or sintering, the specific surface area is lowered and the amount of binder for tape molding is reduced. In order to improve the reproducibility of the particle size distribution such as D90 of the powder obtained in the pulverizing step, it is preferable to use a cubic stabilized zirconia powder, which suppresses the aggregation and sintering of the powder and has a desired particle size. It is preferable that the powder is uniformly heat-treated in the above temperature range while flowing in a rotary kiln so that the powder can be easily pulverized.
また、前記熱処理した粉末や焼成体を粉砕することによって、本発明のD90、D90/D50比やD100/D90比に調整される。前記のように原料ジルコニア粉末の粒度分布を特定の範囲に調整するためには、ボールミル、ビーズミル、遊星ミル、ジェットミル等を用いて粉砕が行われる。 Further, by pulverizing the heat-treated powder or fired body, the ratios of D 90 , D 90 / D 50 and D 100 / D 90 of the present invention are adjusted. In order to adjust the particle size distribution of the raw material zirconia powder to a specific range as described above, pulverization is performed using a ball mill, a bead mill, a planetary mill, a jet mill, or the like.
被粉砕物は熱処理や、仮焼もしくは焼結された粉末や焼成体であるので市販の立方晶系安定化ジルコニア粉末に比べて硬くなっており、投入(粉砕)動力や周速度を高くして強い剪断力を与えてしまうと、粉末の一次粒子まで破壊される過分散状態となって再凝集や異常な粘度上昇が起こる場合がある。従って、過分散させない状態で効率的にマイルドに粉砕させることが好ましく、そのためには、循環式の湿式ビーズミルを用い、粉砕メディアとして粒径が0.05〜3mmφのジルコニアビーズ、分散媒として水もしくはエタノールやイソプロパノール等の低級アルコールを用いて、攪拌動力を0.5〜5kWh/kg、周速度を6〜12m/sの条件で粉砕する。より好ましくは、攪拌動力を0.6〜1.5kWh/kg、周速度を7〜10m/sの条件である。 Since the material to be crushed is a heat-treated, calcined or sintered powder or fired body, it is harder than the commercially available cubic stabilized zirconia powder, and the input (grinding) power and peripheral speed are increased. If a strong shearing force is applied, re-aggregation or an abnormal increase in viscosity may occur in an overdispersed state where even the primary particles of the powder are broken. Therefore, it is preferable to grind efficiently and mildly without overdispersing, and for that purpose, using a circulating wet bead mill, zirconia beads having a particle diameter of 0.05 to 3 mmφ as a grinding medium, water or as a dispersion medium Using lower alcohol such as ethanol or isopropanol, the mixture is pulverized under the conditions of stirring power of 0.5 to 5 kWh / kg and peripheral speed of 6 to 12 m / s. More preferably, the stirring power is 0.6 to 1.5 kWh / kg and the peripheral speed is 7 to 10 m / s.
また、必要に応じて分散剤を添加しもよく、被粉砕物が非常に硬い焼結体の場合には、乾式、湿式や乾式と湿式の組み合わせた前粉砕することが好ましい。 Further, a dispersant may be added as necessary, and when the material to be pulverized is a very hard sintered body, it is preferable to pre-grind dry, wet, or a combination of dry and wet.
スラリー原料粉末には、本発明の効果を損なわない程度に、立方晶系安定化ジルコニア粉末の他にアルミナ、チタニア、シリカ、酸化ニオブ、酸化タリウム等からなるセラミックス粉末を添加してもよい。かかるセラミックス粉末の使用量は、原料粉末の総和に対して0.01質量%以上、5質量%以下が好ましく、0.05質量%以上、3質量%以下がより好ましい。 To the slurry raw material powder, ceramic powder made of alumina, titania, silica, niobium oxide, thallium oxide or the like may be added in addition to the cubic stabilized zirconia powder to the extent that the effects of the present invention are not impaired. The amount of the ceramic powder used is preferably 0.01% by mass or more and 5% by mass or less, and more preferably 0.05% by mass or more and 3% by mass or less with respect to the total of the raw material powders.
スラリーに用いられるバインダーの種類は特に制限されず、従来公知の有機質バインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、(メタ)アクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロース等のセルロース類等が例示される。 The kind in particular of binder used for a slurry is not restrict | limited, A conventionally well-known organic binder can be selected suitably and can be used. Examples of organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, (meth) acrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl butyral resins, and vinyl acetal resins. And vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, celluloses such as ethyl cellulose, and the like.
これらの中でも、ジルコニアグリーンシートの成形性や打抜き加工性、強度、焼成時の収縮率バラツキを抑制する観点から、熱可塑性で且つ数平均分子量が20000〜250000、より好ましくは50000〜200000の(メタ)アクリレート系共重合体が好ましいものとして推奨される。 Among these, from the viewpoint of suppressing the moldability, punching processability, strength, and shrinkage ratio variation during firing of the zirconia green sheet, it is thermoplastic and has a number average molecular weight of 20000 to 250,000, more preferably 50000 to 200000 (meta ) Acrylate copolymers are recommended as preferred.
バインダーの使用量は、原料および/またはスラリー中の立方晶系ジルコニア粉末の粒子径、粒度分布によって異なるが、原料粉末100質量部に対して5質量部以上が好ましく、より好ましくは7質量部以上であり、さらに好ましくは8質量部以上であり、16質量部以下が好ましく、より好ましくは15質量部以下であり、さらに好ましくは14質量部以下である。 The amount of the binder used varies depending on the particle size and particle size distribution of the cubic zirconia powder in the raw material and / or slurry, but is preferably 5 parts by mass or more, more preferably 7 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the raw material powder. More preferably, it is 8 mass parts or more, 16 mass parts or less are preferable, More preferably, it is 15 mass parts or less, More preferably, it is 14 mass parts or less.
バインダーの使用量が不足すると、ジルコニアグリーンシートの成形性が低下し、また、強度や柔軟性が不十分となり得る。逆に多過ぎる場合は、スラリーの粘度調節が困難になるばかりでなく、脱脂・焼結時のバインダー成分の分解放出が多く且つ激しくなってX方向、Y方向の線収縮率のバラツキも大きくなり、寸法安定性が低くなり得る。 If the amount of the binder used is insufficient, the moldability of the zirconia green sheet is lowered, and the strength and flexibility may be insufficient. On the other hand, if the amount is too large, not only will it be difficult to adjust the viscosity of the slurry, but the decomposition and release of the binder component during degreasing / sintering will increase and become violent, resulting in large variations in linear shrinkage in the X and Y directions. , Dimensional stability can be reduced.
スラリー用の溶媒としては、水;メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール等のアルコール類;アセトンや2−ブタノン等のケトン類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等の酢酸エステル類等が挙げられ、これらから適宜選択して使用する。 Solvents for slurry include water; alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol and 1-hexanol; ketones such as acetone and 2-butanone; aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and ethylbenzene; and acetates such as methyl acetate, ethyl acetate, and butyl acetate, and the like.
これら溶媒は単独で使用し得る他、2種以上を適宜混合して使用することができる。これら溶媒の使用量は、ジルコニアグリーンシート成形時におけるスラリーの粘度を加味して調節するのがよい。好適なスラリー粘度は1Pa・s以上、50Pa・s以下であり、より好ましくは2Pa・s以上、20Pa・s以下である。 These solvents can be used alone or in combination of two or more. The amount of these solvents to be used is preferably adjusted in consideration of the viscosity of the slurry at the time of forming the zirconia green sheet. A suitable slurry viscosity is 1 Pa · s or more and 50 Pa · s or less, and more preferably 2 Pa · s or more and 20 Pa · s or less.
また、スラリーの固形分濃度は60〜90質量%の範囲に調整されることが好ましい。固形分濃度を前記範囲に調整することによって、塗工時のグリーンテープ中の溶剤量が少なくなり、グリーンテープの粉体充填密度を高めることができる。本発明で言う固形分濃度とは、以下式で表される。 Moreover, it is preferable that the solid content density | concentration of a slurry is adjusted to the range of 60-90 mass%. By adjusting the solid content concentration within the above range, the amount of solvent in the green tape during coating can be reduced, and the powder packing density of the green tape can be increased. The solid content concentration referred to in the present invention is represented by the following formula.
固形分濃度(%)=(ジルコニア粉末質量+バインダー固形分の質量)÷全組成の質量*100
・・・・式3
好ましいスラリーの固形分濃度は70質量%以上、さらに好ましくは75質量%、特に好ましくは80質量%以上である。なお、固形分濃度が90質量%を超えると、スラリー粘度が50Pa・sを超えて、スラリーの流動性が損なわれ高分子フィルムへの均一塗工が困難になる。
Solid content concentration (%) = (mass of zirconia powder + mass of binder solid) / mass of total composition * 100
.... Formula 3
The solid content concentration of the slurry is preferably 70% by mass or more, more preferably 75% by mass, and particularly preferably 80% by mass or more. In addition, when solid content concentration exceeds 90 mass%, slurry viscosity exceeds 50 Pa * s, the fluidity | liquidity of a slurry is impaired and uniform coating to a polymer film becomes difficult.
スラリーの調製に当たっては、ジルコニア原料粉末の分散を促進するため、分散剤を用いることが好ましい。分散剤としては、ポリアクリル酸やポリアクリル酸アンモニウム等の高分子電解質;α−オレフィン・無水マレイン酸共重合物の部分エステル;クエン酸や酒石酸等の有機酸;イソブチレンまたはスチレンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩あるいはアミン塩;ブタジエンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩等を挙げることができる。 In preparing the slurry, it is preferable to use a dispersant in order to promote dispersion of the zirconia raw material powder. Dispersants include polyelectrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate; partial esters of α-olefin / maleic anhydride copolymers; organic acids such as citric acid and tartaric acid; isobutylene or styrene and maleic anhydride And a copolymer of butadiene and maleic anhydride and an ammonium salt thereof.
また、スラリーの成形性を高めるために、可塑剤を添加することが好ましい。可塑剤としては、フタル酸ジブチルやフタル酸ジオクチル等のフタル酸エステル類;プロピレングリコール等のグリコール類やグリコールエーテル類;フタル酸系ポリエステル、アジピン酸系ポリエステル、セバシン酸系ポリエステル等のポリエステル類を挙げることができる。さらに、界面活性剤や消泡剤等を必要に応じて添加することができる。 Moreover, it is preferable to add a plasticizer in order to improve the moldability of the slurry. Examples of plasticizers include phthalates such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate; glycols such as propylene glycol and glycol ethers; polyesters such as phthalic polyester, adipic acid polyester, and sebacic acid polyester. be able to. Furthermore, a surfactant, an antifoaming agent, etc. can be added as needed.
また、本発明の製造方法においては、スラリー原料として、安定化ジルコニア粉末を含有する回収体グリーン体を使用することも好ましい態様である。前記立方晶系安定化ジルコニア粉末は高価なため、実際の製造工程では、原料のコスト低減のために回収グリーン体を使用することは必須となっている。 Moreover, in the manufacturing method of this invention, it is also a preferable aspect to use the collection body green body containing the stabilized zirconia powder as a slurry raw material. Since the cubic stabilized zirconia powder is expensive, it is indispensable to use the recovered green body in the actual manufacturing process in order to reduce the cost of the raw material.
ところで、本願の製法によるグリーンテープ中の安定化ジルコニア粉末は、従来の原料を用いた場合に比べてスラリー中のサブミクロン級の微粒子の含有量が少ないため、溶剤への再溶解性に優れている。すなわち、短時間でもとのスラリーの粒子径にまで溶解でき、凝集物が生じにくいものである。それゆえ、従来の原料を使用した回収グリーンテープを使用するのに比べて、微小な凝集の残留によるポアの発生を低減することができる。 By the way, the stabilized zirconia powder in the green tape by the manufacturing method of the present application has a low content of submicron-class fine particles in the slurry as compared with the case of using a conventional raw material, and is excellent in re-solubility in a solvent. Yes. That is, it can be dissolved to the particle size of the original slurry even in a short time, and agglomerates are hardly generated. Therefore, the generation of pores due to the remaining minute agglomeration can be reduced as compared with the use of the recovered green tape using the conventional raw material.
ここで、安定化ジルコニア粉末を含有する回収グリーン体とは、焼成する工程に供されなかったグリーンテープとグリーンシートのことである。具体的には上記原料粉末、バインダー、溶媒等を用いてスラリーを調製した後、該スラリーを用いてグリーンテープを作製する際の所定の塗工厚さになっていない塗工初めのグリーンテープ先端部、塗工終了近くのグリーンテープ後端部およびグリーンテープの左右端部;作製されたグリーンテープについて打抜き等の成形を行った場合における、焼成用グリーンシートとして使用しなかった切断屑;等を回収したものである。実際の使用に当たっては、切断機やカッター等により細かく、好適には3cm角以下に破砕したものを使用する。 Here, the recovered green body containing the stabilized zirconia powder is a green tape and a green sheet that have not been subjected to the firing step. Specifically, after preparing a slurry using the above-mentioned raw material powder, binder, solvent, etc., the tip of the green tape at the beginning of coating that does not have a predetermined coating thickness when producing a green tape using the slurry Part, green tape rear end near the end of coating and left and right ends of green tape; cut waste not used as a green sheet for firing in the case of forming the green tape produced by punching or the like; It is collected. In actual use, a material that is finely divided by a cutting machine, a cutter, or the like, and preferably crushed to 3 cm square or less is used.
前記回収グリーン体の使用量は、該回収グリーン体に含まれる安定化ジルコニア粉末の質量に換算し、前記スラリー中に含まれる全安定化ジルコニア粉末中5質量%以上とすることが好ましく、より好ましくは10質量%以上、さらに好ましくは15質量%以上であり、50質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは50質量%以下、さらに好ましくは40質量%以下である。 The amount of the recovered green body used is preferably 5% by mass or more in the total stabilized zirconia powder contained in the slurry in terms of the mass of the stabilized zirconia powder contained in the recovered green body, and more preferably. Is 10% by mass or more, more preferably 15% by mass or more, and preferably 50% by mass or less, more preferably 50% by mass or less, and still more preferably 40% by mass or less.
スラリーは、上記成分を適量混合することにより調製する。その際、各粒子の微細化や粒子径を均一化するために、ボールミルやビーズミル等により粉砕しつつ混合してもよい。また、各成分の添加の順番は特に制限されず、従来方法に従えばよい。 The slurry is prepared by mixing appropriate amounts of the above components. At that time, in order to make each particle finer and to make the particle diameter uniform, the particles may be mixed while being pulverized by a ball mill or a bead mill. Moreover, the order of addition of each component is not particularly limited, and may be according to a conventional method.
2.グリーンシートの製造
次に、上記で得たスラリーを用いてグリーンシートを製造する工程について説明する。本発明の製造方法においては、得られたスラリーを用いてテープキャスティング法により連続的に高分子フィルム上にテープ状に塗工し、乾燥してグリーンテープとする。
2. Production of Green Sheet Next, a process for producing a green sheet using the slurry obtained above will be described. In the production method of the present invention, the obtained slurry is continuously coated on a polymer film in a tape shape by a tape casting method, and dried to obtain a green tape.
ここで、テープキャスティング法とは、原料粉末を含んだスラリーをシート状に塗工する方法であり、例えば、ドクターブレード法が挙げられる。ドクターブレード法は、一般的にはスラリータンク中へと原料スラリーを供給して、ここへ圧力をかけ、配管を介してスラリーを塗工ダムへ輸送し、ドクターブレードによりスラリーの厚さが均一となるように、高分子フィルム上に塗工する。前記高分子フィルムの材料は特に制限されず、従来公知のプラスチックフィルムを使用することができる。高分子フィルムには、可撓性のみならず、グリーンテープの支持体として十分な剛性および強度も要求される。そのためポリエチレンテレフタレートを素材とする厚さが、50μm〜130μmのPETフィルムを使用することが好ましい。 Here, the tape casting method is a method in which a slurry containing raw material powder is applied in a sheet form, and examples thereof include a doctor blade method. In the doctor blade method, in general, a raw material slurry is supplied into a slurry tank, pressure is applied to the slurry, and the slurry is transported to a coating dam via a pipe. It coats on a polymer film so that it may become. The material of the polymer film is not particularly limited, and a conventionally known plastic film can be used. The polymer film is required to have not only flexibility but also sufficient rigidity and strength as a support for the green tape. Therefore, it is preferable to use a PET film having a thickness of 50 μm to 130 μm made of polyethylene terephthalate.
その後、キャリアーフィルム上に塗工されたスラリーを乾燥することにより、テープ状成形体、即ちグリーンテープとする。乾燥条件は特に制限されず、例えば室温〜150℃の一定温度で乾燥してもよいし、50℃、80℃、120℃の様に順次連続的に昇温して加熱乾燥してもよい。 Thereafter, the slurry coated on the carrier film is dried to obtain a tape-shaped molded product, that is, a green tape. Drying conditions are not particularly limited, and for example, drying may be performed at a constant temperature of room temperature to 150 ° C., or heating may be performed by successively raising the temperature in the order of 50 ° C., 80 ° C., and 120 ° C.
次いで、得られたグリーンテープを所定形状に打ち抜き・切断して、グリーンシートを得る。打ち抜き・切断加工後のグリーンシートの形状としては、円形、楕円形、角形、R(アール)を持った角形等何れでもよく、これらのシート内に同様の円形、楕円形、角形、Rを持った角形等の穴を1つもしくは2つ以上有するものであってもよい。グリーンシート厚さは、60μm以上、より好ましくは80μm以上、さらに好ましくは100μm以上であり、200μm以下、より好ましくは170μm以下、さらに好ましくは140μm以下の範囲に調整される。また、平面面積は60cm2以上、より好ましくは90cm2以上、さらに好ましくは120cm2以上であり、600cm2以下、より好ましくは500cm2以下、さらに好ましくは400cm2以下の範囲に調整される。 Next, the obtained green tape is punched and cut into a predetermined shape to obtain a green sheet. The shape of the green sheet after punching / cutting may be any of a circle, an ellipse, a square, a square with R (R), etc., and these sheets have the same circle, ellipse, square, and R. It may have one or two or more holes such as squares. The green sheet thickness is 60 μm or more, more preferably 80 μm or more, further preferably 100 μm or more, and is adjusted to a range of 200 μm or less, more preferably 170 μm or less, and further preferably 140 μm or less. Further, the planar area is 60 cm 2 or more, more preferably 90 cm 2 or more, further preferably 120 cm 2 or more, and is adjusted to a range of 600 cm 2 or less, more preferably 500 cm 2 or less, and further preferably 400 cm 2 or less.
ジルコニアグリーンシートの表面粗さは、使用する原料安定化ジルコニア粉末やスラリーの粒度分布等に依存するが、ドクターブレード法によるテープキャスティングの場合、必要に応じて比較的容易に調整することができる。例えば、粗化したPETフィルム上にスラリーを塗工、あるいは塗工後のグリーンシートに表面を粗くした粗化用シートあるいは金型を押圧すればよい。なお、SOFC用の薄膜立方晶系ジルコニアグリーンシートの表面粗さとしては、一般的には、Raで0.05μm以上、1μm以下の範囲が好適である。 The surface roughness of the zirconia green sheet depends on the raw material-stabilized zirconia powder used, the particle size distribution of the slurry, and the like, but in the case of tape casting by the doctor blade method, it can be adjusted relatively easily as necessary. For example, the slurry may be applied to a roughened PET film, or a roughening sheet or mold having a roughened surface may be pressed onto the green sheet after coating. In general, the surface roughness of the thin film cubic zirconia green sheet for SOFC is preferably in the range of 0.05 μm or more and 1 μm or less in terms of Ra.
なお、グリーンシートの粉体充填率は以下の手順で計算した。グリーンシートの質量(W1)とグリーンシートの水中質量(W2)を室温で測定し、水の密度(ρW)とからグリーンシート体積(V1)を、
V1=(W1−W2)*(ρW)・・・・式4
より求めた。
The powder filling rate of the green sheet was calculated according to the following procedure. The green sheet mass (W 1 ) and the green sheet underwater mass (W 2 ) are measured at room temperature, and the green sheet volume (V 1 ) is calculated from the water density (ρ W ).
V 1 = (W 1 −W 2 ) * (ρ W )... Formula 4
I asked more.
次いで、グリーンシートを空気中で800℃1時間焼成してグリーンシート中のバインダー等の有機成分を除去したのち室温まで冷却して、焼成後の質量(W3)を測定した。ジルコニアシートの密度(ρZ)をアルキメデス法より求め、粉体充填率(PD)を、
PD=(W3/ρZ)/V1*100・・・・式5
より計算した。
Next, the green sheet was fired in air at 800 ° C. for 1 hour to remove organic components such as a binder in the green sheet, and then cooled to room temperature, and the mass (W 3 ) after firing was measured. The density (ρ Z ) of the zirconia sheet is determined by the Archimedes method, and the powder filling rate (PD)
PD = (W 3 / ρ Z ) / V 1 * 100... Formula 5
More calculated.
3.グリーンシートの焼成
グリーンシートを焼成する工程では、前記のようにして作製されたグリーンシートを焼成し、薄膜立方晶系ジルコニアシートとする。
3. Firing of the green sheet In the step of firing the green sheet, the green sheet produced as described above is fired to obtain a thin film cubic zirconia sheet.
グリーンシートの焼成方法は特に限定されず、従来公知の方法を採用することができる。例えば、グリーンシートを1枚ずつ棚板に載置して焼成することも可能であるが、量産化のためにグリーンシートと多孔質スペーサーシートとを交互に積み重ねた積層体を棚板に載置して焼結することが好ましい。 The method for firing the green sheet is not particularly limited, and a conventionally known method can be employed. For example, it is possible to place green sheets one by one on a shelf and fire them, but for mass production, a stack of green sheets and porous spacer sheets stacked alternately is placed on the shelf. And sintering.
積層体の構成は、最下段にスペーサーシートを置き、その上にグリーンシートとスペーサーシートを交互に積み重ね、最上段にはスペーサーシートを載せたものからなる。最下段のスペーサーシートはグリーンシートと棚板との接合を防ぎまた、最上段のスペーサーシートは重しとなりシートの反りやうねりを低減する。 The structure of a laminated body consists of placing a spacer sheet on the lowest level, stacking green sheets and spacer sheets alternately thereon, and placing a spacer sheet on the uppermost level. The lowermost spacer sheet prevents the green sheet and the shelf board from being joined, and the uppermost spacer sheet serves as a weight to reduce sheet warpage and undulation.
具体的な焼成の条件は特に制限されず、常法によればよい。例えば、グリーンシートからバインダーや可塑剤等の有機成分を除去するために100℃〜400℃、好ましくは150℃〜300℃で2時間〜50時間程度処理する。次いで、1300℃〜1600℃、好ましくは1350℃〜1550℃で2時間〜10時間保持焼成することによりジルコニアグリーンシートを焼結すればよい。 Specific firing conditions are not particularly limited, and may be based on a conventional method. For example, in order to remove organic components, such as a binder and a plasticizer, from a green sheet, it processes at 100 to 400 degreeC, Preferably it is 150 to 300 degreeC for about 2 hours-50 hours. Next, the zirconia green sheet may be sintered by holding and firing at 1300 ° C. to 1600 ° C., preferably 1350 ° C. to 1550 ° C. for 2 hours to 10 hours.
このとき、グリーンシートが例えば正方形や円形の場合、グリーンシートのX方向とY方向(円形の場合は、任意の1方向をX方向とし、X方向に垂直の方向をY方向とする)の寸法と、焼成後のX方向とY方向の測定寸法差(焼成収縮率の差異)は、グリーンシート中の粉体充填率が高いため1%以下に抑えられており、好ましくは0.95%以下、さらに好ましくは0.9%以下である。 At this time, when the green sheet is, for example, a square or a circle, the dimensions of the X direction and the Y direction of the green sheet (in the case of a circle, any one direction is the X direction and the direction perpendicular to the X direction is the Y direction). And, the measured dimensional difference (difference in firing shrinkage) between the X direction and the fired direction after firing is suppressed to 1% or less because of the high powder filling rate in the green sheet, and preferably 0.95% or less. More preferably, it is 0.9% or less.
本発明の製造方法により作製される立方晶系ジルコニアシートの厚さ・大きさは、適宜調整すればよい。例えば、厚さが50μm以上、より好ましくは70μm以上、さらに好ましくは80μm以上であり、160μm以下、より好ましくは140μm以下であり、さらに好ましく120μm以下である。また、平面面積が50cm2以上、より好ましくは70cm2以上であり、500cm2以下、より好ましくは300cm2以下、さらに好ましくは200cm2以下のジルコニアシートを製造することができる。なお、上記シートの厚さは、10枚の供試シートについて任意の10箇所をマイクロメータで測定し、その平均値を算出し、シート厚さとした。 The thickness and size of the cubic zirconia sheet produced by the production method of the present invention may be adjusted as appropriate. For example, the thickness is 50 μm or more, more preferably 70 μm or more, further preferably 80 μm or more, 160 μm or less, more preferably 140 μm or less, and further preferably 120 μm or less. Further, a zirconia sheet having a planar area of 50 cm 2 or more, more preferably 70 cm 2 or more, 500 cm 2 or less, more preferably 300 cm 2 or less, and further preferably 200 cm 2 or less can be produced. In addition, the thickness of the said sheet | seat measured 10 arbitrary places about 10 test sheets with a micrometer, the average value was computed, and it was set as sheet | seat thickness.
また、本発明方法により製造される薄膜立方晶系ジルコニアシートは、相対密度(アルキメデス法で測定した密度/理論密度)が、99%以上である緻密体であり、X方向とY方向での寸法差が非常に小さく寸法精度に優れている。 In addition, the thin film cubic zirconia sheet produced by the method of the present invention is a dense body having a relative density (density measured by Archimedes method / theoretical density) of 99% or more, and dimensions in the X direction and the Y direction. The difference is very small and the dimensional accuracy is excellent.
具体的にはジルコニアシートが正方形や円形の場合、シートX方向の長さ(LX)とシートY方向の長さ(LY)の寸法差率(L)は(LX)≧(LY)の場合、
L=((LX)−(LY))*100/(LX)/100・・・・式6
で表され、0%以上1.5%以下の範囲である。好ましくは1.0%以下、さらに好ましくは0.09%以下、より好ましくは0.08%以下、特に好ましくは0.07%以下である。
Specifically, when the zirconia sheet is square or circular, the dimensional difference ratio (L) between the length in the sheet X direction (L X ) and the length in the sheet Y direction (L Y ) is (L X ) ≧ (L Y )in the case of,
L = ((L X ) − (L Y )) * 100 / (L X ) / 100... Formula 6
And is in the range of 0% to 1.5%. Preferably it is 1.0% or less, More preferably, it is 0.09% or less, More preferably, it is 0.08% or less, Most preferably, it is 0.07% or less.
また、薄膜立方晶系ジルコニアシートはその結晶系が立方晶を主体とするジルコニアシートである。具体的には、X線回折法で求められたシートの回折ピークの強度のうち、前記立方晶比率が90%以上であり、高い酸素イオン伝導性と曲げ強度との観点から好ましい。立方晶以外には、単斜晶、正方晶、菱面体晶に起因する回折ピークがあるが、単斜晶と菱面体晶は酸素イオン伝導性と曲げ強度を低下させる傾向があり、正方晶は酸素イオン伝導性を低下させる傾向があるので、立方晶比率は95%以上であることがより好ましく、98%以上であることが特に好ましい。 The thin film cubic zirconia sheet is a zirconia sheet whose crystal system is mainly composed of cubic crystals. Specifically, the cubic ratio is 90% or more of the intensity of the diffraction peak of the sheet obtained by the X-ray diffraction method, which is preferable from the viewpoint of high oxygen ion conductivity and bending strength. In addition to cubic crystals, there are diffraction peaks due to monoclinic, tetragonal and rhombohedral crystals, but monoclinic and rhombohedral crystals tend to reduce oxygen ion conductivity and bending strength. Since there is a tendency to reduce oxygen ion conductivity, the cubic ratio is more preferably 95% or more, and particularly preferably 98% or more.
上述したように、本発明の製造方法により得られる薄膜立方晶系ジルコニアシートは、50μm以上160μm以下の厚さで、平面面積が50cm2以上あっても、寸法精度に優れた緻密体で、ハンドリング強度に優れているのでSOFC用の電解質シートとして有用であり、当該SOFCは、効率的な発電が可能で且つ長寿命のものとなる。 As described above, the thin film cubic zirconia sheet obtained by the production method of the present invention has a thickness of 50 μm or more and 160 μm or less, and is a dense body having excellent dimensional accuracy and handling even when the plane area is 50 cm 2 or more. Since it is excellent in strength, it is useful as an electrolyte sheet for SOFC, and the SOFC can efficiently generate power and has a long life.
本発明の製造方法により製造された立方晶系ジルコニアシートを電解質として用いたSOFC用の電解質支持型セルとするには、常法を用いることができる。即ち、ジルコニアシートの一方の面に燃料極、他方の面に空気極を形成し、また、必要に応じて、電解質材料と燃料極材料または空気極材料との反応を防止するために、電解質の一方の面または両方の面に中間層を形成する。よって、電解質シートと燃料極、空気極または中間層との接合力を高め電解質からの剥離を防止するために、電解質シートの表面にアンカー効果を付与する表面粗さをもたせることが好ましい。 In order to obtain an electrolyte-supported cell for SOFC using the cubic zirconia sheet produced by the production method of the present invention as an electrolyte, a conventional method can be used. That is, a fuel electrode is formed on one surface of the zirconia sheet, an air electrode is formed on the other surface, and, if necessary, in order to prevent a reaction between the electrolyte material and the fuel electrode material or the air electrode material, An intermediate layer is formed on one or both sides. Therefore, in order to increase the bonding strength between the electrolyte sheet and the fuel electrode, air electrode or intermediate layer and prevent peeling from the electrolyte, it is preferable to provide the surface of the electrolyte sheet with a surface roughness that provides an anchor effect.
燃料極材料としては、一般的に、Ni、Co、Ru等と安定化ジルコニアおよびセリア酸化物のサーメットが好適に使用される。特に好ましくは、Niと9〜12モル%スカンジア安定化ジルコニアからなるサーメットである。これら燃料極材料を、エチルセルロース等のバインダー、α−テルピネオール等の溶剤とともに混練して燃料極ペーストとするか、或いはミリングして燃料極スラリーとし、これをスクリーン印刷法、コーティング法等で被覆・乾燥・焼成することで燃料極を形成することができる。 As the fuel electrode material, generally, cermets of Ni, Co, Ru, etc., stabilized zirconia, and ceria oxide are preferably used. Particularly preferred is a cermet comprising Ni and 9 to 12 mol% scandia-stabilized zirconia. These fuel electrode materials are kneaded with a binder such as ethyl cellulose and a solvent such as α-terpineol to form a fuel electrode paste, or milled to form a fuel electrode slurry, which is coated and dried by a screen printing method, a coating method, or the like. -A fuel electrode can be formed by baking.
空気極材料としては、LaMnO3、LaCoO3やLaFeO3を基本構造とするペロブスカイト型構造酸化物、さらには、これらペロブスカイト型構造酸化物に安定化ジルコニアおよび/またはセリア酸化物が添加された混合物を挙げることができる。特に好ましくは、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3またはLaNi0.6Fe0.4O3に9〜12モル%ScSZを加えた混合物が好適に使用される。上記燃料極の場合と同様に、空気極ペーストあるいは空気極スラリーを調製し、電解質シートの燃料極と反対の面に、スクリーン印刷法、コーティング法等で被覆・乾燥・焼成することで空気極を形成することができる。 As an air electrode material, a perovskite structure oxide having a basic structure of LaMnO 3 , LaCoO 3 or LaFeO 3 , and a mixture obtained by adding stabilized zirconia and / or ceria oxide to these perovskite structure oxides are used. Can be mentioned. Particularly preferably, a mixture obtained by adding 9 to 12 mol% ScSZ to La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 or LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 is suitably used. . As in the case of the above fuel electrode, an air electrode paste or air electrode slurry is prepared, and the surface of the electrolyte sheet opposite to the fuel electrode is coated, dried, and fired by screen printing, coating, or the like. Can be formed.
燃料極と空気極の形成の順序は特には限定されるものではない。また、固体電解質と空気極との間に、これらの固相反応防止のために、上記セリア酸化物からなる中間層を形成していてもよい。さらには、燃料極の上に燃料極コンタクト層や、空気極の上に空気極コンタクト層を形成してもよい。 The order of formation of the fuel electrode and the air electrode is not particularly limited. Further, an intermediate layer made of the above ceria oxide may be formed between the solid electrolyte and the air electrode in order to prevent these solid phase reactions. Furthermore, a fuel electrode contact layer may be formed on the fuel electrode, and an air electrode contact layer may be formed on the air electrode.
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記実施例によって限定されるものではなく、前・後記の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and may be appropriately modified and implemented within a range that can meet the purpose described above and below. All of which are within the scope of the present invention.
1.評価方法
1−1.比表面積の測定
吸着分子として窒素を用い、BET法により粉末の比表面積を測定した。測定機器としては、マウンテック社製のマックソーブHM−1210型を用いた。測定は一試料につき3点行い、その平均値を比表面積とした。
1−2.原料粉末の粒度測定
堀場製作所製のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「LA−920」を用い、蒸留水中に分散剤として0.2質量%のメタリン酸ナトリウムを添加した水溶液を分散媒とした。当該分散媒の約100cm3中に粉末を0.01〜0.5質量%添加し、3分間超音波処理して分散させた後に、体積基準の粒度分布を測定した。
1. Evaluation method 1-1. Measurement of specific surface area Using nitrogen as an adsorbed molecule, the specific surface area of the powder was measured by the BET method. As a measuring instrument, a Macsorb HM-1210 type manufactured by Mountec Co., Ltd. was used. The measurement was performed at three points per sample, and the average value was taken as the specific surface area.
1-2. Particle size measurement of raw material powder Using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device “LA-920” manufactured by HORIBA, Ltd., an aqueous solution in which 0.2% by mass of sodium metaphosphate was added as a dispersant in distilled water was used as a dispersion medium. . The powder was added in an amount of 0.01 to 0.5% by mass in about 100 cm 3 of the dispersion medium and dispersed by sonication for 3 minutes, and then the volume-based particle size distribution was measured.
2.立方晶系安定化ジルコニア粉末の調製
試験例1〜4
市販の8モル%YSZ粉末(第一稀元素化学工業製、商品名「HSY−8」、比表面積:9m2/g、D50:0.48μm、立方晶系比率:88%)を炉芯管材質がアルミナのロータリーキルンを用いて1050℃、1200℃、1300℃と1380℃の各温度で熱処理した。
2. Preparation test examples 1 to 4 of cubic stabilized zirconia powder
A commercially available 8 mol% YSZ powder (manufactured by Daiichi rare element chemical industry, trade name “HSY-8”, specific surface area: 9 m 2 / g, D 50 : 0.48 μm, cubic system ratio: 88%) It heat-processed at each temperature of 1050 degreeC, 1200 degreeC, 1300 degreeC, and 1380 degreeC using the rotary kiln whose tube material is an alumina.
ナノ粒子分散専用の湿式媒体循環ビーズミル(アシザワ・ファインテック(株)製)を用い、これに原料粉体スラリーとして、上記熱処理YSZ粉末4kgおよび分散媒としての純水6kgを投入した。ここに、粉砕メディアとして、0.5mm径のジルコニアメディア(比重:6)を、4kg仕込んだ。 Using a wet-medium circulating bead mill (manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd.) dedicated to nanoparticle dispersion, 4 kg of the heat-treated YSZ powder and 6 kg of pure water as a dispersion medium were charged as a raw material powder slurry. Here, 4 kg of 0.5 mm-diameter zirconia media (specific gravity: 6) was charged as the grinding media.
ミルモーターの動力を調整し、攪拌動力0.5〜2kWh/kg、攪拌羽根先端周速度(ω)8〜10m/秒の範囲で粉砕した。この湿式粉砕により得られたスラリーを10リットルロータリーエバポレーターに入れ、さらに該スラリーと等量のオクタノールを入れて、加熱減圧しながら水を留出させてオクタノール置換スラリーを得た。このスラリーを更に加熱減圧してオクタノールを留出させ減圧乾燥して立方晶系で安定化されたYSZ粉末A1050、A1200、A1300、A1380を得、各粉末の物性を表1に示した。 The power of the mill motor was adjusted, and the mixture was pulverized in the range of stirring power of 0.5 to 2 kWh / kg and stirring blade tip peripheral speed (ω) of 8 to 10 m / second. The slurry obtained by this wet pulverization was placed in a 10 liter rotary evaporator, and an equal amount of octanol was added to the slurry, and water was distilled off while heating under reduced pressure to obtain an octanol-substituted slurry. The slurry was further heated under reduced pressure to distill octanol and dried under reduced pressure to obtain cubic YSZ powders A 1050 , A 1200 , A 1300 , and A 1380. Table 1 shows the physical properties of each powder. It was.
試験例5〜6
市販の10モル%スカンジア1モル%セリアで安定化された10Sc1CeSZ粉末(第一稀元素化学工業製、商品名「10Sc1CeSZ」、比表面積:11m2/g、D50:0.6μm、D90:1.27μm、立方晶系比率:97%)を炉芯管材質がアルミナのロータリーキルンを用いて1250℃の温度で熱処理し、上記試験例1〜4と同様に粉砕、乾燥して立方晶系で安定化されたScCeSZ粉末B1250を調製した。また、熱処理されていない上記ScCeSZ粉末を高効率湿式粉砕機(コトブキ技研工業(株)製、商品名:アペックスミル、型式:AMV−1)を用いて、上記と同様にして粉砕、乾燥して立方晶系で安定化されたScCeSZ粉末BNCを調製した。これらの粉末の物性を表1に示した。
Test Examples 5-6
10Sc1CeSZ powder stabilized by commercially available 10% by mole scandia 1% by weight ceria (manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Co., Ltd., trade name “10Sc1CeSZ”, specific surface area: 11 m 2 / g, D 50 : 0.6 μm, D 90 : 1.27 μm, cubic system ratio: 97%) is heat treated at a temperature of 1250 ° C. using a rotary kiln whose core material is alumina, and is crushed and dried in the same manner as in Test Examples 1 to 4 above. Stabilized ScCeSZ powder B 1250 was prepared. In addition, the above-mentioned ScCeSZ powder that has not been heat-treated is pulverized and dried in the same manner as described above using a high-efficiency wet pulverizer (manufactured by Kotobuki Giken Kogyo Co., Ltd., trade name: Apex Mill, model: AMV-1). was prepared ScCeSZ powder B NC stabilized with cubic. The physical properties of these powders are shown in Table 1.
3.立方晶系ジルコニアシートの製造
3.1グリーンシート製造の試験例1〜6
原料粉末として上記で得た粉末A1050、A1200、A1300、A1380、B1250、BNCを各100質量部に対して、溶媒としてトルエン60質量部、および分散剤としてソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤1.5量部からなる混合物を、ボールミルにより粉砕しつつ混合した。当該混合物へ、バインダーとしてメタクリレート系共重合体(数平均分子量:55000、ガラス転移温度:−8℃、固形分濃度:50質量%)を固形分濃度で12〜18質量部、可塑剤としてジブチルフタレート2質量部を添加し、ボールミルにより20時間混合してスラリーとした。得られたスラリーを濃縮脱泡することにより、25℃での粘度を2〜13Pa・sに調整し、塗工用スラリーとした。
3. Manufacture of cubic zirconia sheet 3.1 Test example 1-6 of green sheet manufacture
100 parts by mass of the powders A 1050 , A 1200 , A 1300 , A 1380 , B 1250 , and B NC obtained above as raw material powders, 60 parts by mass of toluene as a solvent, and a sorbitan fatty acid ester-based interface as a dispersant A mixture consisting of 1.5 parts by weight of the activator was mixed while being pulverized by a ball mill. To the mixture, a methacrylate copolymer (number average molecular weight: 55000, glass transition temperature: −8 ° C., solid content concentration: 50 mass%) as a binder is 12 to 18 mass parts in solid content concentration, and dibutyl phthalate as a plasticizer. 2 parts by mass was added and mixed with a ball mill for 20 hours to form a slurry. By concentrating and defoaming the obtained slurry, the viscosity at 25 ° C. was adjusted to 2 to 13 Pa · s to obtain a coating slurry.
上記各塗工用スラリーを、ドクターブレード法によりPETフィルム上に塗工した。当該PETフィルムを、0.2m/分の速度で、50℃、80℃および110℃の3つの温度域を有する乾燥機中に通過させた後、スリッターで切断し、幅150mm、長さ200m、厚さが約105〜150μmの長尺グリーンテープを得た。当該長尺グリーンテープを切断し、直径約117〜127mmの円形方形グリーンシートGA1050、GA1200、GA1300、GA1380、GB1250、GBNCを各2000枚得た。 Each of the above coating slurries was coated on a PET film by a doctor blade method. The PET film was passed through a dryer having three temperature ranges of 50 ° C., 80 ° C., and 110 ° C. at a speed of 0.2 m / min, and then cut with a slitter. The width was 150 mm, the length was 200 m, A long green tape having a thickness of about 105 to 150 μm was obtained. The long green tape was cut to obtain 2000 circular square green sheets GA 1050 , GA 1200 , GA 1300 , GA 1380 , GB 1250 and GB NC each having a diameter of about 117 to 127 mm.
また、GA1300とGB1250では、切断屑等の回収グリーンテープに含まれる安定化ジルコニア粉末の質量に換算し、前記スラリー中に含まれる全安定化ジルコニア粉末中15%と20%になるように回収グリーン体を使用した。各グリーンシートの粉体充填率を測定し、結果を表1に示す。 In addition, in GA 1300 and GB 1250 , in terms of the mass of the stabilized zirconia powder contained in the recovered green tape such as cutting waste, it is 15% and 20% in the total stabilized zirconia powder contained in the slurry. The recovered green body was used. The powder filling rate of each green sheet was measured, and the results are shown in Table 1.
3.2グリーンシート製造の参考例1〜3
原料粉末として前記で得た粉末A1050、A1200、B1250、BNCを用いて、厚さが約280μm〜340μmの長尺グリーンテープを得た以外は同様にして、直径約117μm〜127mmの円形方形グリーンシートGA’1050、GA’1200、GB’1250、GB’NCを各2000枚得た。なお、GA’1050、GA’1200とGB’NCでは回収グリーン体は使用せず、GB’1250については安定化ジルコニア粉末の質量に換算し、前記スラリー中に含まれる全安定化ジルコニア粉末中20%になるように回収グリーン体を使用した。各グリーンシートの粉体充填率を測定し、結果を表2に示す。
3.2 Reference examples 1 to 3 of green sheet production
With Powder A 1050, A 1200, B 1250 , B NC obtained above as raw material powder, except that the thickness was obtained a long green tape about 280μm~340μm in the same manner, a diameter of about 117μm~127mm 2000 circular square green sheets GA ′ 1050 , GA ′ 1200 , GB ′ 1250 and GB ′ NC were obtained. Incidentally, GA '1050, GA' 1200 and GB 'NC in recovering the green body is not used, GB' in terms of the weight of the stabilized zirconia powder for 1250, the total stabilized zirconia powder contained in the slurry 20 The recovered green body was used so that the ratio was%. The powder filling rate of each green sheet was measured, and the results are shown in Table 2.
3.3グリーンシート焼成の試験例1〜6および参考例1〜4
一辺150mmの方形アルミナ多孔質シート(気孔率:45%,厚さ:0.2mm)を2枚重ね、その上に前記試験例1〜6と参考例1〜4で作製したそれぞれのグリーンシートを1枚重ね、さらにその上にスペーサーとして多孔質シートを重ね、さらにグリーンシートと多孔質シートを交互に9枚ずつ重ねて積層体とした。
3.3 Green Sheet Firing Test Examples 1-6 and Reference Examples 1-4
Two sheets of rectangular alumina porous sheets (porosity: 45%, thickness: 0.2 mm) having a side of 150 mm are stacked, and the green sheets prepared in Test Examples 1 to 6 and Reference Examples 1 to 4 are stacked thereon. One sheet was stacked, a porous sheet was stacked thereon as a spacer, and 9 sheets of green sheets and porous sheets were alternately stacked to form a laminate.
この積層体を焼成用棚板(厚さ20mm,400mm×400mm)の上に4セット載置し、各積層体の最上部に、ムライト・アルミナ製の重し用治具(気孔率:60%,嵩比重:1.3)を載せた。大気雰囲気下、1420℃で3時間焼結することにより、直径が100mm、厚さ82〜126μmの立方晶系ジルコニアシートSA1050、SA1200、SA1300、SA1380、SB1250、SBNCを各1800枚製造した。 Four sets of this laminate are placed on a baking shelf (thickness 20 mm, 400 mm × 400 mm), and a mullite / alumina weight jig (porosity: 60%) is placed on the top of each laminate. , Bulk specific gravity: 1.3). By sintering at 1420 ° C. for 3 hours in an air atmosphere, cubic zirconia sheets SA 1050 , SA 1200 , SA 1300 , SA 1380 , SB 1250 , and SB NC each having a diameter of 100 mm and a thickness of 82 to 126 μm are obtained. A sheet was manufactured.
また、直径が100mmで、厚さ239μm〜303μmの立方晶系ジルコニアシートSA’1050、SA’1200、SB’1250、GB’NCを各1800枚製造した。冷却後、上記積層体を解体し、焼成直後のジルコニアシートの割れや欠けを目視で観察し、その発生率を求めた。また、上記の各1800枚の立方晶系ジルコニアシートのうち、任意の10枚を選び出し、円形シートの任意の1方向をX方向とし、X方向に垂直の方向をY方向として、X方向とY方向の寸法をノギスで測定して、それぞれの平均値を求め、X方向の寸法に対するX方向とY方向の寸法差の割合を算出して寸法差率とした。結果を表1と表2に示す。 Further, 1800 cubic zirconia sheets SA ′ 1050 , SA ′ 1200 , SB ′ 1250 and GB ′ NC each having a diameter of 100 mm and a thickness of 239 μm to 303 μm were manufactured. After cooling, the laminate was disassembled, and cracks and chips of the zirconia sheet immediately after firing were visually observed to determine the rate of occurrence. Further, any 10 out of the above 1800 cubic zirconia sheets are selected, any one direction of the circular sheet is defined as the X direction, the direction perpendicular to the X direction is defined as the Y direction, and the X direction and the Y direction. The dimensions in the direction were measured with calipers, the respective average values were determined, and the ratio of the dimension difference between the X direction and the Y direction with respect to the dimension in the X direction was calculated as the dimension difference rate. The results are shown in Tables 1 and 2.
3.4ジルコニアシート物性
さらに、上記9枚のシートをアルキメデス法で密度を測定し8YSZと10Sc1CeSZの理論密度から相対密度を算出した。また、X線回折のそれぞれのピーク強度から、立方晶比率を算出した。それぞれの結果を表1、表2に合わせて示した。
3.4 Physical Properties of Zirconia Sheet Further, the density of the above nine sheets was measured by the Archimedes method, and the relative density was calculated from the theoretical density of 8YSZ and 10Sc1CeSZ. Further, the cubic ratio was calculated from each peak intensity of X-ray diffraction. The results are shown in Table 1 and Table 2.
表1から、本発明の製造方法による試験例2、3と5の薄膜立方晶系ジルコニアシートは、焼成直後の割れ・欠け発生率が12%以下で、薄膜でも安定した製造歩留りになっていることが判る。また、XY方向の寸法差率も1%以下で相対密度も99%以上あり、緻密で寸法安定性にシートが得られている。 From Table 1, the thin-film cubic zirconia sheets of Test Examples 2, 3, and 5 according to the production method of the present invention have a crack / chip generation rate of 12% or less immediately after firing, and a stable production yield even in a thin film. I understand that. Further, the dimensional difference rate in the XY directions is 1% or less and the relative density is 99% or more, and the sheet is obtained with high density and dimensional stability.
一方、本発明の製造方法において、使用するジルコニア粉末のBET比表面積やD90、D90/D50やD100/D90が特定範囲を満たさない場合(試験例1と4)では、グリーンシートの粉体充填率が54%以下であり、焼成直後の割れ・欠け発生率が16%以上で製造歩留りが低く、XY方向の寸法差率も1%以上で相対密度も99%未満であり、緻密で寸法安定性にシートが得られないことが判る。 On the other hand, in the production method of the present invention, when the BET specific surface area, D 90 , D 90 / D 50 or D 100 / D 90 of the zirconia powder used does not satisfy a specific range (Test Examples 1 and 4), a green sheet The powder filling rate is 54% or less, the cracking / chip generation rate immediately after firing is 16% or more, the production yield is low, the dimensional difference rate in the XY direction is 1% or more, and the relative density is less than 99%, It turns out that a sheet | seat cannot be obtained with precise | minute and dimensional stability.
また、加熱処理をしない粉末の粉砕処理をした試験例6では粉末の比表面積が大きいためかバインダー量が18質量部と多く必要であり、粉体充填率も本発明の製法のものよりも低くなっているためか割れ・欠け発生率が20%以上で製造歩留りが最も低くなっている。従って、通常の安定化ジルコニア粉末を用いて薄膜シートを製造しても本発明の製法に比較して生産性が劣ることが判る。 Further, in Test Example 6 where the powder was pulverized without heat treatment, the amount of the binder was required to be as large as 18 parts by mass because of the large specific surface area of the powder, and the powder filling rate was lower than that of the production method of the present invention. This is probably the reason why cracking and chipping occur at 20% or more and the manufacturing yield is the lowest. Therefore, it can be seen that even if a thin film sheet is produced using ordinary stabilized zirconia powder, the productivity is inferior to the production method of the present invention.
また、表2の参考例1と2、3と4から、立方晶系ジルコニアシートの厚さが230μm以上であると、本発明の製法で使用される立方晶系ジルコニアシートを用いなくても焼成直後の割れ・欠け発生率は5%以下で製造歩留りにはほとんど変わりなく、また、XY方向の寸法差率も0.9%以下で、生産性には変わりがないことが判った。 Further, from Reference Examples 1, 2, 3 and 4 in Table 2, when the thickness of the cubic zirconia sheet is 230 μm or more, firing is performed without using the cubic zirconia sheet used in the production method of the present invention. The rate of occurrence of cracks and chips immediately after that was 5% or less with little change in production yield, and the dimensional difference rate in the XY direction was 0.9% or less, indicating that there was no change in productivity.
本発明の固体酸化物形燃料電池用の薄膜立方晶系ジルコニアシートは、市場要望の薄膜化に対応するものであり、特に、緻密で寸法精度に優れたシート厚さが50μm以上160μm以下の立方晶系ジルコニアシートの優れた製造方法を提供するものである。 The thin film cubic zirconia sheet for a solid oxide fuel cell according to the present invention corresponds to a thin film demanded by the market, and in particular, a cube having a dense and excellent dimensional accuracy with a sheet thickness of 50 μm to 160 μm. An excellent method for producing a crystalline zirconia sheet is provided.
Claims (5)
立方晶系安定化ジルコニア粉末、溶媒およびバインダーを含むスラリー原料を混合してスラリーを調製する工程;
得られたスラリーを用いてテープキャスティング法により連続的に高分子フィルム上に、テープ状に塗工し、乾燥してグリーンテープとする工程;
得られたグリーンテープを所定形状に打ち抜き・切断してグリーンシートとする工程
得られたグリーンシートを焼成する工程;を含み、
前記ジルコニア粉末のBET比表面積が3m2/g以上10m2/g以下であり、且つ
前記ジルコニア粉末の90体積%径(D90)が0.25μm以上0.8μm以下であり、50体積%径(D50)と90体積%径との比(D90/D50)が1を超え2以下、90体積%径(D90)と100体積%径(D100)との比(D100/D90)が1を超え4以下である粉末を用いることを特徴とする製造方法。 A method for producing a thin film cubic zirconia sheet having a thickness of 50 μm or more and 160 μm or less for a solid oxide fuel cell,
Mixing a slurry raw material containing cubic stabilized zirconia powder, a solvent and a binder to prepare a slurry;
A step of continuously applying a tape on the polymer film by a tape casting method using the obtained slurry and drying to obtain a green tape;
A step of punching and cutting the obtained green tape into a predetermined shape to obtain a green sheet, and a step of firing the obtained green sheet;
The BET specific surface area of the zirconia powder is 3 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less, and the 90 volume% diameter (D 90 ) of the zirconia powder is 0.25 μm or more and 0.8 μm or less, and 50 volume% diameter. The ratio of (D 50 ) to 90 volume% diameter (D 90 / D 50 ) is more than 1 and 2 or less, and the ratio of 90 volume% diameter (D 90 ) to 100 volume% diameter (D 100 ) (D 100 / D 90 ) is used, wherein the powder is more than 1 and 4 or less.
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